國內激光3D打印技術制造馬氏體模具鋼的進展
模具是萬業(yè)之母，目前，國產(chǎn)模具鋼還不能全部滿足國內模具行業(yè)的需求，每年約有25%的模具需從國外進口，主要為中、高檔模具。原因之一是國產(chǎn)合金鋼在品種、質量、尺寸規(guī)格及性能等方面還與國際先進水平有一定的差距。
差距也意味著機會，尤其是高檔模具鋼市場，迄今為止國內產(chǎn)品的占有率很少，而這一市場將是國內模具業(yè)發(fā)展的趨勢，潛在市場很大。本期，3D科學谷與谷友分享的是國內在通過粉末床激光3D打印技術制造馬氏體模具鋼的進展。
解決晶粒的粗大問題
模具鋼大致可分為：冷作模具鋼、熱作模具鋼和塑料模具鋼三類，用于鍛造、沖壓、切型、壓鑄等。由于各種模具用途不同，工作條件復雜，因此對模具用鋼，按其所制造模具的工作條件，應具有高的硬度、強度、耐磨性，足夠的韌性，以及高的淬透性、淬硬性和其他工藝性能。
模具在經(jīng)過傳統(tǒng)機械加工后，一般要經(jīng)過淬火、回火 處理，而模具的形狀十分復雜，因此要求較高的淬透性、較小的變形及較低的開 裂傾向性。用傳統(tǒng)方法制造模具有生產(chǎn)周期長，模具的淬透性差，模具在淬火過程中開裂導致報廢等挑戰(zhàn)。
為解決現(xiàn)有制模技術中的工序復雜、成本高以及報廢率大等問題。3D科學谷了解到南京航空航天大學通過調整 激光加工過程工藝參數(shù)，改善成形模具晶粒粗大問題，從而改善其機械性能。利用Mn、Ni、Cr等合金元素穩(wěn)定過冷奧氏體，在激光加工極大的冷卻速度下得到組織均勻的馬氏體，從而省去了后續(xù)的“淬火”過程，激光加工完畢后，成形模具被傳送裝置送入真空熱處理室完成回火過程以釋放其內應力。
具體來說南航在激光3D打印馬氏體模具鋼的制作中體現(xiàn)的技術特點包括：粉末的制備、激光打印過程控制、后期熱處理。
案例一
粉末制備: 在鐵粉中加入相同粒度和同樣形狀的Mn、Ni、Cr粉末，鐵粉的平均粒徑為60μm，Mn、Ni、Cr粉末添加的質量百分比分別為2.0％，4.0％，1.2％；金屬粉末混合均勻后放入烘干箱中干燥處理8小時。
激光打印過程控制：
氣體控制：先打開真空管道和真空泵抽真空一定程度后，再向成形腔體內通入氬氣作為保護氣體，通入的氬氣的濃度不低于99.99％。重復抽真空和充入保護氣體各三次，控制成形腔體內氧含量在8ppm的濃度范圍。
激光及過程控制：所用激光光斑直徑為60μm。激光的掃描方式為“S形正交層錯”掃描，同時對成形模具的二維模型外輪廓進行后溝邊，激光掃描速度為350 mm/s；激光空跳速度為3500mm/s；激光功率為70W；掃描間距為60μm； 此時激光線能量密度η為200J/m。成形缸體每一次下降的高度為25μm
后期熱處理：成形模具被傳送裝置送入真空熱處理室，低溫回火處理后隨爐冷卻到室溫；低溫回火處理溫度為300℃，加熱速率10℃/min，處理時間5.5小時后隨爐冷卻到室溫。從而得到具有均勻、細小的回火馬氏體組織的成形模具。
圖片：經(jīng)過上述過程，南航獲得的馬氏體模具鋼的顯微組織照片
案例二：
改變Mn、Ni、Cr粉末添加的質量百分比分別為2.2％，4.2％，1.1％；將激光功率設定為62.5W，掃描速度設定為250mm/s，此時激光線能量密度 η為250J/m。其他加工條件與案例一相同。如下圖，案例二的加工條件下，所獲得的回火馬氏體組織除了具有均勻、細小的特征之外，還同時具有新穎的纏結結構， 有利于進一步提升成形模具的機械性能。
圖片：經(jīng)過上述過程，南航獲得的馬氏體模具鋼的顯微組織照片
當然，除了粉末制備，激光加工過程控制以及后期的熱處理，南航的研究中還涉及到更為細膩嚴謹?shù)年P于激光掃描速度V對熔池的過冷度和凝固速度的研究，冷卻速度對淬火效應和馬氏體相變的影響，相變應力和熱應力的共同作用下，晶格常數(shù)所受到的影響等等，3D科學谷在此不一一而述。值得思考的是，傳統(tǒng)加工工藝中，高端模具鋼的原材料方面是長久制約我國模具發(fā)展的一塊短板，3D科學谷認為隨著3D打印技術將制造工藝與新材料研究的結合，這為模具制造從材料突破到制造工藝打開了另一個思路和發(fā)展空間。
來源：3D科學谷
(責任編輯：admin)
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